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石油化学2:碳氢化合物燃烧时会发生什么?

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材料

石油化学2:碳氢化合物燃烧时会发生什么?

目的

将学生引入碳氢化合物燃烧的能量转变。


语境

本课程是高科技世界项目中能源的一部分,该项目审查了能源背后的科学。高科技世界的能源是由AAAS开发的,由美国石油研究所提供资金。manbetx注册与登录有关更多课程,活动和互能量的课程,活动和互动性,请务必查看世界高科技项目中的能源页。

本课程是一系列关于石油化学的一系列课程,这些课程在11日和12年级的上层化学学生。这些课程的目标是向当今高科技世界中引入高中学生以利用石油作为能源。在石油化学1:什么是碳氢化合物?,学生探索碳氢化合物,石油的分子基础,并学会区分有机和无机化合物。

在石油2的化学中:碳氢化合物燃烧时会发生什么?学生们检查不同碳氢化合物燃烧产生的不同能量。

在石油化学3:蒸馏烃的蒸馏中,学生将被引入到蒸馏和处理过程中,通过该蒸馏和处理过程,通过该蒸馏和处理方法,以产生有用的燃料油。

石油4的化学4:烃的治疗将有助于学生探索转化蒸馏石油级分以产生有用的燃料油的化学处理方法。

碳氢化合物燃烧产生的能量直接关系到我们的生活。今天,世界上大约75%或更多的能源需求是通过燃烧化石燃料,如甲烷、煤和石油来满足的。今天的石油和天然气工业利用化石燃料碳氢化合物中储存的能量来驱动我们的高科技世界。这是由于热力学定律——尽管能量改变形式,但它永远不会消失或消失。能量可以有各种形式,但每一种形式的能量都可以通过测量的方式来记录一种形式转化为另一种形式的能量的多少。当一种地方或形式的能量减少时,另一种地方或形式的能量就以同等的量增加。因此,如果没有能量在系统的边界上泄漏或泄漏,那么系统中所有不同形式的总能量就不会发生变化,无论系统内部实际发生哪种渐进或剧烈的变化。但能源确实会越界泄漏。特别是,能量的转换通常会产生一些以热的形式产生的能量,这些能量通过辐射或传导(如从发动机、电线、热水箱、我们的身体和立体声系统)泄漏出去。(所有美国人的科学p。50.。)

不同的能量水平与分子中的不同的原子配置相关。配置的一些变化需要额外的能量,而其他变化释放能量。例如,必须提供热能以开始炭火(通过在木炭中蒸发一些碳原子远离其他碳原子);然而,当氧分子与碳原子结合到二氧化碳分子的低能量构型时,更大的能量被释放为热和光。或者,叶绿素分子可以通过阳光激发成更高能量的配置;叶绿素反过来激发二氧化碳和水的分子,使它们可以通过几个步骤连接到糖分子的更高能量构型(加上一些再生氧气)中。后来,糖分子随后可以与氧相互作用以再次产生二氧化碳和水分子,将额外的能量从阳光转移到仍然是其他分子。(所有美国人的科学p。51.。)

节能是学生掌握的困难概念,因为它对他们的日常经历进行了逆向直观的热量,声音,光线和其他形式的能量。因此,重要的是,仔细通过本课程的每个步骤,以便学生理解从碳氢化合物燃烧中释放的能量直接来自粘合内的储存能量。作为随访,从碳氢化合物燃烧中释放的能量也不会丢失;相反,它用于使我们的汽车运行,无线电产生声音,灯泡光等。

为了让学生做这个课程,以及本系列的其他课程,他们需要对原子和结构的基础知识进行先决条件。有关原子的基本信息可以找到原子。学生也应该能熟练地画出分子结构和确定化学计量学上正确的化学方程式。因为有机化学通常包括一年的高中化学课程,这节课也包括一些热力学的概念,如键能,吸热和放热反应。这些键能的单位是焦耳和摩尔,所以学生们应该很习惯用摩尔来计算。虽然术语“熵”在这里没有明确提到,但它是适当的,将热力学第二定律纳入这一课,特别是当它适用于键能。大多数高级化学教科书和课程都包括了评价一个反应的熵变的数学方法,而熵变又被用来计算从一个反应中可以做功的能量(即吉布斯自由能)。

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动机

在开始这节课的主要部分之前,很重要的是要确定学生可能有关于氧气支持燃烧反应的必要性的任何误解。为了了解学生已经知道的关于燃料需要氧气的知识,点燃一个小蜡烛,比如茶灯,作为一个示范活动。问学生:“如果我们用杯子覆盖蜡烛会发生什么?”(接受所有的想法和假设。)将一个透明的小水杯或圆筒放在茶烛上,让学生进行观察。当所有的氧气被利用时,火焰就会熄灭。

问学生:

  • 为什么火焰熄灭了?
    (为了燃烧,氧气是必需的。)
  • 氧在哪里?
    (它在空中。)
  • 当玻璃放在火焰顶部时,熄灭前仍然燃烧一段时间。为什么?
    (使用玻璃内的火焰周围的空气中的所有氧气。一旦完全使用,没有更多的氧气和火焰熄灭。)

为蜡烛使用氧气的学生重新上限。每次物质与氧气结合时,都会发生氧化。有时,物质随着时间的推移,物质快速地与氧气反应。向学生询问一些与氧气快速和缓慢反应的物质的一些例子。学生可以建议使用氧气反应以形成与氧气反应的生锈或木材以燃烧和释放能量。让学生思考月球上的铁或木材会发生什么。没有任何大气氧气,这些物品会生锈还是烧伤?(不)告诉学生蜡烛活动的作用是确认燃烧需要存在氧气。这种氧化在我们如何从化石燃料获得能量中起重要作用。


发展

让学生重新制作甲烷模型,如本系列的第一课所述。通过提问,查看学生的第一课的一些原则:

  • 该化合物有机或无机吗?
    (有机)。
  • 为什么?
    (它由碳组成。)
  • 具体而言,什么类型的有机化合物是甲烷?
    (这是一种碳氢化合物。)

告诉学生碳氢化合物通过一种称为燃烧的特殊类型的氧化。当碳氢化合物燃烧时,反应产生二氧化碳和水。

让学生构建氧气(o2)模型使用胶粘熊和牙签。要求学生用氧气反应甲烷化合物,通过重新排列棉花糖,胶粘熊,葡萄干和牙签来产生二氧化碳和水。学生将意识到他们需要多个氧气来利用所有氢原子来产生水。告诉学生他们开始用甲烷分子开始,然后将其切入二氧化碳和水块。问他们:“你认为这种燃烧的过程释放了能量或吸收能量吗?”让学生思考这个问题。为了帮助他们理解这种反应中的能量,让两个学生志愿者。一名学生代表甲烷化合物中的碳,另一个学生代表甲烷的三种氢。让两个学生握手并互相拉回。告诉上手的课程代表了共价键。 Ask students:

  • 如果我们在碳和氢之间打破这种粘合,可能会发生什么?
    (两个学生将拉向相反的方向。)
  • 现在储存在这个键中的能量会怎样呢?
    (它将被释放。)
  • 在化学反应中释放能量的某种方式是什么?
    (它们是轻,热,火和声音。)

为了加强当碳 - 氢键被破坏时释放能量,让两个学生在彼此旁边彼此站立时再次握住手,而没有任何拉动。如果债券破坏,请再次询问课程。(释放的能量较少,因为债券中的储存能量较少以开始。)告诉学生,从碳氢化合物中释放的能量的知识是重要的,因为甲烷是天然气的主要成分。当甲烷经过燃烧过程(即,燃烧),以清洁的方式,唯一的产品是二氧化碳,水和能量。这被称为完全燃烧。

与学生审查:

  • 在与烃类的燃烧反应中,如甲烷,烃与烃是什么?
    (它与氧分子发生反应。)
  • 什么是产品?
    (它们是二氧化碳和水。)
  • 还有什么生产?
    (能量由烃键的破碎产生。)
  • 这种能量可能发生什么形式?
    (它可能以光、热、声或火的形式出现。)

学生应该使用他们的化石燃料的燃烧学生eSheet去读书化石燃料的燃烧。学生可以回答关于阅读的问题化石燃料的燃烧学生表。您可以找到关于问题的答案化石燃料的梳理老师表。

一起讨论阅读材料,清楚地复习由键能得到的燃烧反应能图像。可以将学生作为讲义或显示为开销的图像。通过燃烧过程的每一步,确保学生了解正极和负能量,吸热和放热能量之间的差异,以及如何确定净总能量。

为了让学生了解一次有多少键被破坏,请写出甲烷燃烧的化学方程式,以及参与甲烷燃烧的四种化合物的结构图。这可以让学生们计算出单个分子中被破坏的化学键的数量。然后学生们计算反应中该分子的总数。

为此,为学生提供在顶部发现的债券能源图表化石燃料的能源。问学生:

  • 单个C-H债券中的能量是多少?
    (410 kJ / mole。)
  • 甲烷中存在多少个C-H键?
    (有4个碳氢键)
  • 打破四个碳氢键需要的总能量是多少?
    (410 KJ / MOLE乘以四个是1640 kJ / mole所需的。告诉学生,从甲烷的粘结能量燃烧反应能量中给出的1644 kJ / mole是近似的。)

评估

让学生确定乙烷和丙烷燃烧的债券能量。为此,让学生首先确定乙烷的正确化学方程。要求学生完成化石燃料燃烧的第三部分。当您与学生审查答案时,绘制所有分子的结构公式。这将使学生更容易计算债券并乘以存在的分子总数。例如,乙烷具有六个C-H键和一个C-C键。这意味着打破六个C-H键的总能量总量为410 kJ /摩尔乘以六,即2460 kJ / mole。打破C-C键的总能量为347 kJ /摩尔。因此,在单个乙烷分子中分解所有键所需的总能量是+ 2807kJ /摩尔。然而,平衡式方程需要两个乙烷分子,实际上,能量总量为+ 5614 kJ /摩尔。


扩展

在石油系列化学中的接下来的两个课程跟随这个课程:


科学网络意甲赞助商万博链接课程,碳:结构问题,对碳进行了很好的综述。


本课的一个很好的延伸是讨论能量守恒。在化学反应中,能量可以通过碰撞和运动转移,但它永远不会被破坏。


让学生调查完整和不完整的燃烧形式。在线资源燃烧的碳氢化合物比较了甲烷的两种燃烧形式。


资助信息信息
美国石油协会
这些内容是通过美国石油研究所的支持来创建的。

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课程细节

成绩 主题 项目2061基准 国家科学标准 国家标准

本系列的其他课程

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